某旋壓機(jī)電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真課程設(shè)計(jì)說明

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書（論文） Harbin Institute of Technology 課程設(shè)計(jì)說明書 課程名稱： 自動(dòng)控制原理 設(shè)計(jì)題目: 某旋壓機(jī)電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 班級(jí)： 設(shè)計(jì)者： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)老師： 王述一 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2013 年 2 月-3 月 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 姓名：院（系）：英才學(xué)院 專 業(yè)：班 號(hào)： 任務(wù)起至日期：2013 年2月25日至 2013 年3月20日 課程設(shè)計(jì)題目：某旋壓機(jī)電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 系統(tǒng)固有傳遞函數(shù)為: -.(s)= 砧ID Ml) 設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求： （1）超調(diào)量p 25% （2）調(diào)整時(shí)間ts 0.2

2、5s （3）速度信號(hào) V=0.5m/min時(shí)，誤差e（t） -.Ju 設(shè)計(jì)要求與步驟： （1）熟悉對(duì)系統(tǒng)的要求，查閱資料。 （2）人工設(shè)計(jì) 利用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)值手工繪制系統(tǒng)校正前后及校正裝置的bode圖，并確定出 校正裝置的傳遞函數(shù)。驗(yàn)算校正后系統(tǒng)是否滿足性能指標(biāo)要求。 （3）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 利用MATLAB言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試 （4）確定校正裝置的電路形式及其參數(shù) （5）撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。具體內(nèi)容包括如下五個(gè)部分： 1）設(shè)計(jì)任務(wù)書 2）設(shè)計(jì)過程 人工設(shè)計(jì)過程包括計(jì)算數(shù)據(jù)、系統(tǒng)校正前后及校正裝置的bode圖（在 半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上），校正裝置傳遞函數(shù)、性能指標(biāo)驗(yàn)算數(shù)據(jù)。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程包括

3、Simulink仿真框圖、bode圖，階躍響應(yīng)曲線， 性能指標(biāo)要求的其他曲線。 3）校正裝置電路圖 4）設(shè)計(jì)結(jié)論 5）設(shè)計(jì)后的心得體會(huì) 工作計(jì)劃安排： 審題，分析設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，查閱資料 1天 人工計(jì)算，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 3天 修改并優(yōu)化設(shè)計(jì) 3 天 完成課程設(shè)計(jì)說明書 2 天 同組設(shè)計(jì)者及分工：無 指導(dǎo)教師簽字 教研室主任意見： 年 月曰 教研室主任簽字 年 月 日 *注：此任務(wù)書由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師填寫。 目錄 一：題目要求與背景 1.1題目要求 1.2題目背景簡(jiǎn)介 二：基于頻率響應(yīng)法的設(shè)計(jì) 2.1人工設(shè)計(jì) 2.1.1設(shè)計(jì)滿足穩(wěn)態(tài)誤差要求的未校正系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性 2.1.2計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的相

4、角裕度丫 2.1.3計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的剪切頻率-: 2.1.4為系統(tǒng)設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié) 2.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 2.2.1被控對(duì)象仿真 2.2.2控制器的設(shè)計(jì) 2.2.3對(duì)校正后開環(huán)系統(tǒng)仿真 224對(duì)控制器的開環(huán)系統(tǒng)仿真 225對(duì)校正后閉環(huán)系統(tǒng)仿真 2.2.6對(duì)校正系統(tǒng)評(píng)估 2.3 校正裝置電路圖 三： 基于根軌跡法的設(shè)計(jì) 3.1 人工設(shè)計(jì) 3.1 1原系統(tǒng)根軌跡圖 3.1.2期望主導(dǎo)極點(diǎn) 3.1.3控制器的設(shè)計(jì) 3.1.4校正后系統(tǒng)仿真分析 四: 設(shè)計(jì)總結(jié) 五: 心得體會(huì) 六: 參考文獻(xiàn) 七: 附錄： 一：題目要求與背景 1.1題目要求 技術(shù)要求：蘭25暢；2別；速度信號(hào)V=0.5m/min時(shí)，誤差

5、e（t） 0.05mm; 系統(tǒng)固有傳遞函數(shù)為： 隔（S）= 。2侶 sz zxoidi 1.2題目背景簡(jiǎn)介 電液伺服控制起源于主要在軍事工程領(lǐng)域發(fā)展起來的電液控制技術(shù)，而電液比例控制技 術(shù)，是針對(duì)伺服控制存在的諸如功率損失大、對(duì)油液過濾要求苛刻、制造和維護(hù)費(fèi)用高。而 它提供的快速性在一般工業(yè)設(shè)備中又往往用不著的情況，在近30多年迅速發(fā)展起來的介于 普通通斷開關(guān)控制與伺服控制之間的新型電液控制技術(shù)分支。除了模擬式電液比例元件外， 早在20世紀(jì)60年代人們就開始注意數(shù)字式或脈沖式比例元件的開發(fā)。這類元件的優(yōu)點(diǎn)是對(duì) 介質(zhì)污染不敏感，工作可靠，重復(fù)精度高，成批產(chǎn)品的性能一致性好。其主要缺點(diǎn)是由于按 載

6、頻原理實(shí)現(xiàn)控制，故控制信號(hào)的頻寬較模擬器件低。數(shù)字式電液比例元件的電一機(jī)械轉(zhuǎn)換 器，主要是步進(jìn)馬達(dá)和按脈沖方式工作的動(dòng)鐵式或動(dòng)圈式力馬達(dá)。數(shù)字式電液比例系統(tǒng)實(shí)質(zhì) 上是一個(gè)電液數(shù)/模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)或載頻調(diào)制系統(tǒng)。其控制分辨精度取決于每一脈沖的當(dāng)量步長(zhǎng) 或調(diào)制精度。最近迅速發(fā)展起來的高速開關(guān)閥，為比例閥的先導(dǎo)控制提供了一種新型的方式。 這種閥的重要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快，目前正擺脫由于工作流量小而僅作為先導(dǎo)控制閥的 局面，甚至更大的流量方向?qū)で髢?yōu)化結(jié)構(gòu)。 第二次世界大戰(zhàn)后期， 由于噴氣式飛機(jī)速度很高，因此對(duì)控制系統(tǒng)的快速性、動(dòng)態(tài)精度 和功率一重量比都提出了更高的要求。1940年底，在飛機(jī)上首先出現(xiàn)了電液

7、伺服系統(tǒng)。經(jīng) 過20余年的發(fā)展，到了 20世紀(jì)60年代，各種結(jié)構(gòu)的電液伺服閥相繼問世，電液伺服技術(shù) 日臻成熟。60年代后期，各類民用工程對(duì)電液控制技術(shù)的需求顯得更加迫切與廣泛。但是， 由于傳統(tǒng)的電液伺服閥對(duì)流體介質(zhì)的清潔度要求十分苛刻，制造成本和維護(hù)費(fèi)用比較高昂， 系統(tǒng)能耗比較大，難以為各工業(yè)用戶接受。 而傳統(tǒng)的電液開關(guān)控制（斷通控制）又不能滿足高 質(zhì)量控制系統(tǒng)的要求。電液比例控制技術(shù)就是為適應(yīng)開發(fā)一種可靠、價(jià)廉、控制精度和響應(yīng) 特性均能滿足工程技術(shù)實(shí)際需要的電液控制技術(shù)的要求，從1%0年代末以來迅速發(fā)展起來 的。與此同時(shí)，還發(fā)展了工業(yè)伺服控制技術(shù)。工業(yè)伺服控制技術(shù)的主要特點(diǎn)是：在高性能伺 服

8、閥基礎(chǔ)上，增大電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出功率和適當(dāng)簡(jiǎn)化伺服閥結(jié)構(gòu)，著重改善閥的抗污染 性能，并降低制造成本。比例閥則是以傳統(tǒng)的工業(yè)用液壓閥為基礎(chǔ)，采用可靠、價(jià)廉的模擬 電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器（比例電磁鐵等）和與之相應(yīng)的閥內(nèi)設(shè)計(jì)，從而獲得對(duì)油質(zhì)要求與一般工業(yè)閥 相同、閥內(nèi)壓力損失低、性能又能滿足大部分工業(yè)控制要求的比例控制元件。 20世紀(jì)90年代中后期，一方面隨著一般工程系統(tǒng)對(duì)閉環(huán)控制要求的升溫，另一方面， 客觀上整體機(jī)械加工水平的提高，系統(tǒng)抗污染能力的增強(qiáng)， 而對(duì)系統(tǒng)能耗采取了區(qū)別對(duì)待的 措施，以及工業(yè)伺服閥對(duì)實(shí)際系統(tǒng)適應(yīng)能力差等，在這樣的背景下，在一般比例技術(shù)與伺服 技術(shù)之間，出現(xiàn)了在新的層面上吸收兩者優(yōu)

9、勢(shì)而形成的所謂“伺服比例閥”，也稱“高頻響 比例閥”（其頻響比一般比例閥高）、“閉環(huán)比例閥”（由于無零位死區(qū)，可更方便地用于任何 閉環(huán)系統(tǒng)）。伺服比例閥的出現(xiàn)，很快地填補(bǔ)了本來企圖用工業(yè)伺服閥發(fā)揮作用的中間地帶。 這一方面使電液控制系統(tǒng)在不同的三個(gè)層面上，都有相應(yīng)的實(shí)用技術(shù)；另一方面使得不同層 面的電液控制技術(shù)，在技術(shù)的交融、整合上跨出了一大步。 二：基于頻率響應(yīng)法的設(shè)計(jì) 2.1人工設(shè)計(jì) 2.1.1設(shè)計(jì)滿足穩(wěn)態(tài)誤差要求的未校正系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性 已知數(shù)據(jù) V = 0.5m/min e(t) OXJSmni 經(jīng)過變換，成為國(guó)際單位制V = m/S Left） 0*05 X 10_3rn 若要求

10、y 則需要滿足 哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書（論文） :.二 一 =166.67 按性能指標(biāo)要求試取- 則： C /、200 -(s)=- 由計(jì)算得知，原系統(tǒng)剪切頻率 啄二；口加心 相角裕度.皿汙 2.1.2計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的相角裕度 T 已知系統(tǒng)要求超調(diào)量.蘭：幷憑 由經(jīng)驗(yàn)公式可知： 0.16 + 仇4（孟 -1）； 可求得二=1.25 sm y 即:- = ：!? 2.1.3計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的剪切頻率-: 由于L二占給二工總 可以使用下述經(jīng)驗(yàn)公式： - J八譏億門2.V-V1/ -31.81rad/s 求得: Sl.Slrad 2.1.4為系統(tǒng)設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié) 對(duì)比原系統(tǒng)參數(shù)及預(yù)定要求的參數(shù)結(jié)

11、果如下: 未經(jīng)校正的系統(tǒng) rwcQ 217 rad f s % = 15Aa 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求即校正后系統(tǒng) = 31.81rad/s y = 5343ff 對(duì)比分析得知，此時(shí)的系統(tǒng)是在原系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)誤差的設(shè)計(jì)要求后，相角裕 度.不滿足設(shè)計(jì)要求，并且剪切頻率遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求，因此采用串聯(lián)遲后校正。 進(jìn)行校正系統(tǒng)的設(shè)計(jì)： 1在g逋的相頻特性找出如下頻率： Go（Jw） = -180 + y + l = -180 + 53.13 + 10= -116.87 這一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率將作為校正后的剪切頻率。 2. 在帶迤戀的幅頻特性上找到所對(duì)應(yīng)的幅值20lg| 一|。 在 Bode 圖上找到1J- -： 處，有

12、咗=35rad/s 3. 為使校正后在的幅頻特性為0dB,應(yīng)有 20log/? = 2OU|CoGK3I 20log/? = 15J 求出校正環(huán)節(jié) !二 37544 4. 為了減小串聯(lián)遲后校正對(duì)系統(tǒng)相角裕度的影響，要求校正環(huán)節(jié)，處的遲后相移 在- I - ：._校正環(huán)節(jié)參數(shù)：和匚 10 t = = 0.2857 T = 1.644 5. 確定串聯(lián)遲后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為: 200 (0.2857 s 1) 0.2125 (1.644s 1) 2.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 2.2.1被控對(duì)象仿真 0 312S 1/S2W0s3+1 JZZMs3 r T ra nsJer F cn ZD Outl In1 B

13、&de Dfiram Sm= S1.6 dBnid/scc), Pm 二 9C di=| (m C.21 J rad/scc 50 Frcqiucncy亡4 Q D 20-s t o. D t 7 z 2.2.4對(duì)控制器的開環(huán)系統(tǒng)仿真 Tra nsfer Fm 6D zc B&de D 刖 ram Gm = Inf . Pm = hf 55 45 Jc 101 10 10 Frequency irfld/sec- 1Q* 2.2.3對(duì)校正后開環(huán)系統(tǒng)仿真 CD ini 陽(yáng)巧+941MG kJ 0.2125 1/02W(5a+1.02.2M5Zt3 Tsnsfer Fcn1 Transfer Fen *CD Ouil Bode Diagra